半導(dǎo)體物理-第二章-2012

第二章半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷一定溫度下，價(jià)帶頂附近的電子受激躍遷到導(dǎo)帶底附近，此時(shí)導(dǎo)帶底電子和價(jià)帶中剩余的大量電子都處于半滿帶當(dāng)中，在外電場(chǎng)的作用下，它們都要參與導(dǎo)電。對(duì)于價(jià)帶中電子躍遷出現(xiàn)空態(tài)后所剩余的大量電子的導(dǎo)電作用，可以等效為少量空穴的導(dǎo)電作用?？昭ň哂幸韵碌奶攸c(diǎn)：(1)帶有與電子電荷量相等但符號(hào)相反的+q電荷；(2)空穴的濃度就是價(jià)帶頂附近空態(tài)的濃度；(3)空穴的共有化運(yùn)動(dòng)速度就是價(jià)帶頂附近空態(tài)中電子的共有化運(yùn)動(dòng)速度；(4)空穴的有效質(zhì)量是一個(gè)正常數(shù)mp*，它與價(jià)帶頂附近空態(tài)的電子有效質(zhì)量mn*大小相等，符號(hào)相反，即mp*＝－mn*本征半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子參與導(dǎo)電，同時(shí)價(jià)帶空穴也參與導(dǎo)電，存在著兩種荷載電流的粒子，統(tǒng)稱(chēng)為載流子。理想半導(dǎo)體：1、原子嚴(yán)格周期性排列，具有完整的晶格結(jié)構(gòu)。2、晶體中無(wú)雜質(zhì)，無(wú)缺陷。3、電子在周期場(chǎng)中作共有化運(yùn)動(dòng)，形成允帶和禁帶——電子能量只能處在允帶中的能級(jí)上，禁帶中無(wú)能級(jí)。本征半導(dǎo)體——晶體具有完整的（完美的）晶格結(jié)構(gòu)，無(wú)任何雜質(zhì)和缺陷。由本征激發(fā)提供載流子。實(shí)際半導(dǎo)體：1、總是有雜質(zhì)、缺陷，使周期場(chǎng)破壞，在雜質(zhì)或缺陷周?chē)鹁植啃缘牧孔討B(tài)——對(duì)應(yīng)的能級(jí)常常處在禁帶中，對(duì)半導(dǎo)體的性質(zhì)起著決定性的影響。2、雜質(zhì)電離提供載流子。雜質(zhì)半導(dǎo)體主要內(nèi)容

1.淺能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)和雜質(zhì)電離；2.淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的計(jì)算；3.雜質(zhì)補(bǔ)償作用4.深能級(jí)雜質(zhì)的特點(diǎn)和作用1、等電子雜質(zhì)；2、Ⅳ族元素起兩性雜質(zhì)作用§2-1元素半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)§2-3缺陷、位錯(cuò)§2-2化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)對(duì)半導(dǎo)體性能的影響

一個(gè)晶胞中包含有八個(gè)硅原子，若近似地把原子看成是半徑為r的圓球，則可以計(jì)算出這八個(gè)原于占據(jù)晶胞空間的百分?jǐn)?shù)如下：說(shuō)明，在金剛石型晶體中一個(gè)晶胞內(nèi)的8個(gè)原子只占有晶胞體積的34%，還有66%是空隙§2-1元素半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)——與本體元素不同的其他元素一、雜質(zhì)存在的方式所以雜質(zhì)進(jìn)入半導(dǎo)體后可以存在于晶格原子之間的間隙位置上，稱(chēng)為間隙式雜質(zhì)，間隙式雜質(zhì)原子一般較小。也可以取代晶格原子而位于格點(diǎn)上，稱(chēng)為替位式雜質(zhì)，替位式雜質(zhì)通常與被取代的晶格原子大小比較接近而且電子殼層結(jié)構(gòu)也相似。兩種雜質(zhì)特點(diǎn)：間隙式雜質(zhì)原子一般比較小，如：鋰離子，0.068nm替位式雜質(zhì)時(shí)：1）雜質(zhì)原子的大小與被取代的晶格原子的大小比較相近2）價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)比較相近如：ⅢⅤ族元素(2)替位式→雜質(zhì)占據(jù)格點(diǎn)位置。大小接近、電子殼層結(jié)構(gòu)相近Si：r=0.117nmB：r=0.089nmP：r=0.11nmLi：0.068nm(1)間隙式→雜質(zhì)位于間隙位置。SiSiSiSiSiSiSiPSiLi1.VA族的替位雜質(zhì)——施主雜質(zhì)在硅Si中摻入PSiSiSiSiSiSiSiP+Si磷原子替代硅原子后，形成一個(gè)正電中心P＋和一個(gè)多余的價(jià)電子束縛態(tài)—未電離離化態(tài)—電離后二、元素半導(dǎo)體的雜質(zhì)電離時(shí)，P原子能夠提供導(dǎo)電電子并形成正電中心，——施主雜質(zhì)。施主雜質(zhì)施主能級(jí)被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量比導(dǎo)帶底Ec低，稱(chēng)為施主能級(jí)，ED。施主雜質(zhì)少，原子間相互作用可以忽略，施主能級(jí)是具有相同能量的孤立能級(jí)．ED施主濃度：ND（單位為1/cm3

）施主電離能△ED=弱束縛的電子擺脫雜質(zhì)原子束縛成為晶格中自由運(yùn)動(dòng)的電子（導(dǎo)帶中的電子）所需要的能量ΔED的大小與半導(dǎo)體材料和雜質(zhì)種類(lèi)有關(guān)，但遠(yuǎn)小于Si和Ge的禁帶寬度。ECED△ED=EC－ED施主電離能EV-束縛態(tài)離化態(tài)+施主雜質(zhì)的電離能小，在常溫下基本上電離。含有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電的載流子主要是電子——N型半導(dǎo)體，或電子型半導(dǎo)體晶體雜質(zhì)PAsSbSi0.0440.0490.039Ge0.01260.01270.0096Si中摻入施主雜質(zhì)后，通過(guò)雜質(zhì)電離增加了導(dǎo)電電子數(shù)量從而增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。在Si中摻入BB具有得到電子的性質(zhì)，這類(lèi)雜質(zhì)稱(chēng)為受主雜質(zhì)。受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴。2.ⅢA族替位雜質(zhì)——受主雜質(zhì)B獲得一個(gè)電子變成負(fù)離子，成為負(fù)電中心，周?chē)a(chǎn)生帶正電的空穴。B－＋B－EA受主濃度：NAEcEvEA(2)受主電離能和受主能級(jí)受主電離能△EA=空穴擺脫受主雜質(zhì)束縛成為導(dǎo)電空穴所需要的能量-束縛態(tài)離化態(tài)+不同半導(dǎo)體和不同受主雜質(zhì)其ΔEA也不相同，但ΔEA通常遠(yuǎn)小于Si和Ge禁帶寬度。受主雜質(zhì)的電離能小，在常溫下基本上為價(jià)帶電離的電子所占據(jù)——空穴由受主能級(jí)向價(jià)帶激發(fā)。含有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電的載流子主要是空穴——P型半導(dǎo)體，或空穴型半導(dǎo)體。晶體雜質(zhì)BAlGaSi0.0450.0570.065Ge0.010.010.011施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中摻的P和As受主：Acceptor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如Si中摻的B小結(jié)！等電子雜質(zhì)N型半導(dǎo)體特征：a施主雜質(zhì)電離，導(dǎo)帶中出現(xiàn)施主提供的導(dǎo)電電子b電子濃度n〉空穴濃度pP型半導(dǎo)體特征：a受主雜質(zhì)電離，價(jià)帶中出現(xiàn)受主提供的導(dǎo)電空穴b空穴濃度p〉電子濃度nECEDEVEA----++++----++++EgN型和P型半導(dǎo)體都稱(chēng)為極性半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體價(jià)帶空穴數(shù)由受主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是空穴?？昭槎嘧?，電子為少子。N型半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子數(shù)由施主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是電子。電子為多子，空穴為少子。多子——多數(shù)載流子少子——少數(shù)載流子雜質(zhì)向?qū)Ш蛢r(jià)帶提供電子和空穴的過(guò)程（電子從施主能級(jí)向?qū)У能S遷或空穴從受主能級(jí)向價(jià)帶的躍遷）稱(chēng)為雜質(zhì)電離或雜質(zhì)激發(fā)。具有雜質(zhì)激發(fā)的半導(dǎo)體稱(chēng)為雜質(zhì)半導(dǎo)體

雜質(zhì)激發(fā)3.雜質(zhì)半導(dǎo)體電子從價(jià)帶直接向?qū)Ъぐl(fā)，成為導(dǎo)帶的自由電子，這種激發(fā)稱(chēng)為本征激發(fā)。只有本征激發(fā)的半導(dǎo)體稱(chēng)為本征半導(dǎo)體。本征激發(fā)N型和P型半導(dǎo)體都是雜質(zhì)半導(dǎo)體

施主向?qū)峁┑妮d流子=1016～1017/cm3》本征載流子濃度雜質(zhì)半導(dǎo)體中雜質(zhì)載流子濃度遠(yuǎn)高于本征載流子濃度Si的原子濃度為1022～1023/cm3摻入P的濃度/Si原子的濃度=10-6例如：Si在室溫下，本征載流子濃度為1010/cm3，上述雜質(zhì)的特點(diǎn)：施主雜質(zhì)：受主雜質(zhì)：淺能級(jí)雜質(zhì)雜質(zhì)的雙重作用：改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性決定半導(dǎo)體的導(dǎo)電類(lèi)型雜質(zhì)能級(jí)在禁帶中的位置4.淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算+-施主-+受主淺能級(jí)雜質(zhì)=雜質(zhì)離子+束縛電子（空穴）類(lèi)氫模型玻爾原子電子的運(yùn)動(dòng)軌道半徑為：n=1為基態(tài)電子的運(yùn)動(dòng)軌跡氫原子中的電子的電離能為E0=13.6eV玻爾能級(jí)：玻爾原子模型類(lèi)氫模型：計(jì)算束縛電子或空穴運(yùn)動(dòng)軌道半徑及電離能運(yùn)動(dòng)軌道半徑：電離能：對(duì)于Si中的P原子，剩余電子的運(yùn)動(dòng)半徑約為24.4?：Si:a=5.4?剩余電子本質(zhì)上是在晶體中運(yùn)動(dòng)SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi：r=1.17?施主能級(jí)靠近導(dǎo)帶底部對(duì)于Si、Ge摻PEcEvED估算結(jié)果與實(shí)測(cè)值有相同的數(shù)量級(jí)對(duì)于Si、Ge摻BEcEvEAEcED電離施主電離受主Ev5.雜質(zhì)的補(bǔ)償作用(1)ND＞NA半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)，施主和受主之間有互相抵消的作用此時(shí)半導(dǎo)體為n型半導(dǎo)體有效施主濃度n=ND-NAEAEcEDEAEv電離施主電離受主(2)ND<NA此時(shí)半導(dǎo)體為p型半導(dǎo)體有效受主濃度p=NA-ND(3)ND≈NA雜質(zhì)的高度補(bǔ)償：若施主雜質(zhì)濃度與受主雜質(zhì)濃度相差不大或二者相等，則不能提供電子或空穴，這種情況稱(chēng)為雜質(zhì)的高等補(bǔ)償。這種材料容易被誤認(rèn)為高純度半導(dǎo)體，實(shí)際上含雜質(zhì)很多，性能很差，一般不能用來(lái)制造半導(dǎo)體器件。EcEDEAEv本征激發(fā)產(chǎn)生的導(dǎo)帶電子本征激發(fā)產(chǎn)生的價(jià)帶空穴半導(dǎo)體器件和集成電路生產(chǎn)中就是利用雜質(zhì)補(bǔ)償作用，在n型Si外延層上的特定區(qū)域摻入比原先n型外延層濃度更高的受主雜質(zhì)，通過(guò)雜質(zhì)補(bǔ)償作用就形成了p型區(qū)，而在n型區(qū)與p型區(qū)的交界處就形成了pn結(jié)。如果再次摻入比p型區(qū)濃度更高的施主雜質(zhì)，在二次補(bǔ)償區(qū)域內(nèi)p型半導(dǎo)體就再次轉(zhuǎn)化為n型，從而形成雙極型晶體管的n-p-n結(jié)構(gòu)。圖2.16晶體管制造過(guò)程中的雜質(zhì)補(bǔ)償6.深雜質(zhì)能級(jí)根據(jù)雜質(zhì)能級(jí)在禁帶中的位置，雜質(zhì)分為：淺能級(jí)雜質(zhì)→能級(jí)接近導(dǎo)帶底Ec或價(jià)帶頂Ev，電離能很小ECEDEVEAEg室溫下，摻雜濃度不很高底情況下，淺能級(jí)雜質(zhì)幾乎可以可以全部電離。五價(jià)元素磷（P）、銻（Sb）在硅、鍺中是淺受主雜質(zhì)，三價(jià)元素硼（B）、鋁（Al）、鎵（Ga）、銦（In）在硅、鍺中為淺受主雜質(zhì)。深能級(jí)雜質(zhì)→能級(jí)遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底Ec或價(jià)帶頂Ev，電離能較大ECEAEVEDEg例：在Ge中摻Au可產(chǎn)生3個(gè)受主能級(jí)，1個(gè)施主能級(jí)Au的電子組態(tài)是：5s25p65d106s1AuGeGeGeGeAu+Au0Au-Au2-Au3-多次電離，每一次電離相應(yīng)地有一個(gè)能級(jí)既能引入施主能級(jí)．又能引入受主能級(jí)1.Au失去一個(gè)電子—施主Au＋EcEvEDED=Ev+0.04eVEcEvEDEA1Au－2.Au獲得一個(gè)電子—受主EA1=Ev+0.15eV3.Au獲得第二個(gè)電子EcEvEDEA1Au2－EA2=Ec-0.2eVEA24.Au獲得第三個(gè)電子EcEvEDEA1EA3=Ec-0.04eVEA2EA3Au3－深能級(jí)雜質(zhì)特點(diǎn)：不容易電離，對(duì)載流子濃度影響不大；一般會(huì)產(chǎn)生多重能級(jí)，甚至既產(chǎn)生施主能級(jí)也產(chǎn)生受主能級(jí)。能起到復(fù)合中心作用，使少數(shù)載流子壽命降低。EcEvEDEAAudopedSilicon0.35eV0.54eV1.12eV§2-2

化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)Ⅲ－Ⅴ族化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)理想的GaAs晶格價(jià)鍵結(jié)構(gòu)：含有離子鍵成分的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)Ga-AsGaGaAsGaAs+GaAs雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形式1）取代砷 2）取代鎵 3）填隙

施主雜質(zhì)替代Ⅴ族元素受主雜質(zhì)替代III族元素兩性雜質(zhì)III、Ⅴ族元素等電子雜質(zhì)——同族原子取代●等電子雜質(zhì)等電子雜質(zhì)是與基質(zhì)晶體原子具有同數(shù)量?jī)r(jià)電子的雜質(zhì)原子．替代了同族原子后，基本仍是電中性的。但是由于共價(jià)半徑和電負(fù)性不同，它們能俘獲某種載流子而成為帶電中心。帶電中心稱(chēng)為等電子陷阱。例如，N取代GaP中的P而成為負(fù)電中心電子陷阱空穴陷阱四族元素硅在砷化鎵中會(huì)產(chǎn)生雙性行為，即硅的濃度較低時(shí)主要起施主雜質(zhì)作用，當(dāng)硅的濃度較高時(shí)，一部分硅原子將起到受主雜質(zhì)作用。這種雙性行為可作如下解釋?zhuān)阂驗(yàn)樵诠桦s質(zhì)濃度較高時(shí)，硅原子不僅取代鎵原子起著受主雜質(zhì)的作用，而且硅也取代了一部分V族砷原子而起著受主雜質(zhì)的作用，因而對(duì)于取代Ⅲ族原子鎵的硅施主雜質(zhì)起到補(bǔ)償作用，從而降低了有效施主雜質(zhì)的濃度，電子濃度趨于飽和。點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子線缺陷：位錯(cuò)面缺陷：層錯(cuò)、晶界SiSiSiSiSiSiSiSiSi1、缺陷的類(lèi)型§2-3缺陷、位錯(cuò)2.元素半導(dǎo)體中的缺陷(1)空位SiSiSiSiSiSiSiSi原子的空位起受主作用。(2)填隙SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi間隙原子缺陷起施主作用AsGaAsAsAsAsGaAsGaGaGaAsGaAsGaAs●反結(jié)構(gòu)缺陷

GaAs受主AsGa施主3.GaAs晶體中的點(diǎn)缺陷●空位VGa、VAs

VGa受主VAs施主●間隙原子GaI、AsI

GaI施主AsI受主e4.Ⅱ－Ⅵ族化合物半導(dǎo)體的缺陷Ⅱ－Ⅵ族化合物半導(dǎo)體

離子鍵結(jié)構(gòu)—負(fù)離子—正離子+-+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-a.負(fù)離子空位產(chǎn)生正電中心，起施主作用+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-++-+-+-+-+-電負(fù)性小b.正離子填隙產(chǎn)生正電中心，起施主作用+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-++-+-+-+-+--+產(chǎn)生負(fù)電中心，起受主作用c.正離子空位+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-+-+-++-+--++-+-+-+-+--電負(fù)性大產(chǎn)生負(fù)電中心，起受主作用d.負(fù)離子填隙+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-++-+-+-+-+---負(fù)離子空位產(chǎn)生正電中心，起施主作用正離子填隙正離子空位負(fù)離子填隙產(chǎn)生負(fù)電中心，起受主作用點(diǎn)缺陷（熱缺陷）pointdefects/thermaldefects點(diǎn)缺陷的種類(lèi)：弗侖克耳缺陷：原子空位和間隙原子同時(shí)存在肖特基缺陷：晶體中只有晶格原子空位間隙原子缺陷：只有間隙原子而無(wú)原子空位點(diǎn)缺陷（熱缺陷）特點(diǎn)：①熱缺陷的數(shù)目隨溫度升高而增加②熱缺陷中以肖特基缺陷為主（即原子空位為主）。原因：三種點(diǎn)缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小。③淬火后可以“凍結(jié)”高溫下形成的缺陷。④退火后可以消除大部分缺陷。半導(dǎo)體器件生產(chǎn)工藝中，經(jīng)高溫加工（如擴(kuò)散）后的晶片一般都需要進(jìn)行退火處理。離子注入形成的缺陷也用退火來(lái)消除。

點(diǎn)缺陷對(duì)半導(dǎo)體性質(zhì)的影響：1）缺陷處晶格畸變，周期性勢(shì)場(chǎng)被破壞，致使在禁帶中產(chǎn)生能級(jí)。